JP2007258243A - Mos transistor characteristics detection device and cmos circuit characteristic automatic adjusting arrangement - Google Patents

Mos transistor characteristics detection device and cmos circuit characteristic automatic adjusting arrangement Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To automatically adjust an operation state of a CMOS circuit so that a MOS transistor in an objective circuit operates in a saturation region, while increase in circuit scale and power consumption is suppressed. <P>SOLUTION: A CMOS circuit characteristics automatic adjusting arrangement is provided with a replica signal generating circuit (10) for generating a replica signal that makes the drain voltage in the MOS transistor (101a) in the objective circuit (100) a minimum, a replica circuit (20) for receiving the replica signal, voltage buffers (30a and 30b) for receiving drain voltage of the MOS transistor in the objective circuit and the replica circuit, the MOS transistors (101c and 101d) for receiving output voltage of the voltage buffers in respective drains, a comparison circuit (40) for comparing the size of current flowing in the MOS transistors, and an adjusting circuit (50) for adjusting the operating states of the objective circuit and the replica circuit, based on the comparison result. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、MOSトランジスタの動作状態を検出する装置に関し、特に、CMOS回路において定電流源として用いられるMOSトランジスタが飽和領域で動作しているか否か(以下、飽和領域動作性とも称する)を検出する装置、及びその検出結果に基づいてCMOS回路の動作状態を自動調整する装置に関する。   The present invention relates to a device for detecting the operating state of a MOS transistor, and in particular, detects whether or not a MOS transistor used as a constant current source in a CMOS circuit operates in a saturation region (hereinafter also referred to as saturation region operability). And an apparatus for automatically adjusting the operating state of a CMOS circuit based on the detection result.

従来より、CMOS回路ではプロセスばらつきや温度変動などによりMOSトランジスタの閾値電圧が変動し、トランジスタ特性が影響を受けることが知られている。他方、近年のプロセス微細化に伴い、ゲート酸化膜の耐圧低下及び電源電圧の低電圧化が進み、MOSトランジスタの閾値電圧の変動がトランジスタ特性に与える影響が大きくなりつつある。   Conventionally, in a CMOS circuit, it is known that the threshold voltage of a MOS transistor fluctuates due to process variations and temperature fluctuations, and the transistor characteristics are affected. On the other hand, with the recent process miniaturization, the withstand voltage of the gate oxide film is lowered and the power supply voltage is lowered, and the influence of the fluctuation of the threshold voltage of the MOS transistor on the transistor characteristics is increasing.

例えば、アナログ回路において重要な素子である定電流源の場合、これを構成するMOSトランジスタは飽和領域で動作する必要があるが、電源電圧の低下に伴うトランジスタの動作範囲の縮小や閾値電圧の変動などにより、飽和領域での動作保証が困難となる。このため、MOSトランジスタの飽和領域動作性を検出する手段、及び、場合によっては飽和領域動作性を保証するためにMOSトランジスタの動作状態を自動調整する手段が別途必要となる。   For example, in the case of a constant current source that is an important element in an analog circuit, the MOS transistor that constitutes the constant current source needs to operate in a saturation region. However, as the power supply voltage decreases, the operation range of the transistor decreases and the threshold voltage varies. As a result, it becomes difficult to guarantee operation in the saturation region. For this reason, means for detecting the saturation region operability of the MOS transistor and, in some cases, means for automatically adjusting the operation state of the MOS transistor are required in order to guarantee the saturation region operability.

この問題に対して、従来、ADコンバータなどの計測回路を用いてMOSトランジスタの閾値電圧を測定し、その測定結果をフィードバックして、MOSトランジスタの動作状態を自動調整している(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−76280号公報(第7頁、第1図)
To solve this problem, conventionally, a threshold voltage of a MOS transistor is measured using a measurement circuit such as an AD converter, and the operation result of the MOS transistor is automatically adjusted by feeding back the measurement result (for example, Patent Documents). 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-76280 (page 7, FIG. 1)

しかし、従来の手法では、ADコンバータを設ける必要から回路規模及び消費電力が増大してしまう。この問題に鑑み、本発明は、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、MOSトランジスタの飽和領域動作性を検出する装置、さらにはMOSトランジスタが飽和領域で動作するようにCMOS回路の動作状態を自動調整する装置の提供を課題とする。   However, in the conventional method, the circuit scale and the power consumption increase because it is necessary to provide an AD converter. In view of this problem, the present invention is a device for detecting the saturation region operability of a MOS transistor while suppressing an increase in circuit scale and power consumption, and further, the operation state of the CMOS circuit so that the MOS transistor operates in the saturation region. It is an object of the present invention to provide an apparatus for automatically adjusting.

上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作しているか否かを検出する装置として、対象回路に入力されたならば第1のMOSトランジスタのドレイン電圧を最小にするようなレプリカ信号を生成するレプリカ信号生成回路と、対象回路のレプリカであって、第1のMOSトランジスタに相当する第2のMOSトランジスタを有し、レプリカ信号が入力されるレプリカ回路と、第1のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第1の電圧バッファと、第2のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第2の電圧バッファと、特性及びゲート及びソースの印加電圧が第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに第1の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第1のMOSトランジスタ群と、特性及びゲート及びソースの印加電圧が第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに第2の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第2のMOSトランジスタ群と、第1のMOSトランジスタ群に流れる第1の電流及び第2のMOSトランジスタ群に流れる第2の電流の大小比較をする比較回路とを備えたものとする。   The means taken by the present invention to solve the above problem is that the first MOS transistor in the target circuit is a device for detecting whether or not the first MOS transistor is operating in the saturation region. A replica signal generating circuit for generating a replica signal that minimizes the drain voltage of the MOS transistor, and a replica of the target circuit, the second MOS transistor corresponding to the first MOS transistor, and a replica signal , A first voltage buffer to which the drain voltage of the first MOS transistor is input, a second voltage buffer to which the drain voltage of the second MOS transistor is input, characteristics and a gate, The voltage applied to the source is the same as that of the first MOS transistor, and the output voltage of the first voltage buffer is applied to the drain M A first MOS transistor group having at least one S transistor, a MOS transistor having the same characteristics and an applied voltage of the gate and the source as the first MOS transistor, and an output voltage of the second voltage buffer applied to the drain And a comparison circuit for comparing the magnitude of the first current flowing in the first MOS transistor group and the second current flowing in the second MOS transistor group And

これによると、対象回路中の第1のMOSトランジスタが取り得る最小のドレイン電圧がレプリカ回路中の第2のMOSトランジスタにおいて再現され、これらドレイン電圧は、それぞれ、第1及び第2の電圧バッファによって第1及び第2のMOSトランジスタ群における各MOSトランジスタのドレイン電圧として再現され、比較回路によって、第1及び第2のMOSトランジスタ群のそれぞれに流れる第1及び第2の電流の大小比較が行われる。そして、この第1及び第2の電流の大小比較の結果から、対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作しているか否かを知ることができる。   According to this, the minimum drain voltage that can be taken by the first MOS transistor in the target circuit is reproduced in the second MOS transistor in the replica circuit, and these drain voltages are respectively obtained by the first and second voltage buffers. It is reproduced as the drain voltage of each MOS transistor in the first and second MOS transistor groups, and the comparison circuit compares the first and second currents flowing in the first and second MOS transistor groups, respectively. . Then, from the result of comparing the magnitudes of the first and second currents, it can be determined whether or not the first MOS transistor in the target circuit is operating in the saturation region.

具体的には、比較回路は、第1の電流を第1の電圧に変換する第1のIV変換回路と、第2の電流を第2の電圧に変換する第2のIV変換回路と、第1及び第2の電圧の大小比較をする比較器とを有する。   Specifically, the comparison circuit includes a first IV conversion circuit that converts a first current into a first voltage, a second IV conversion circuit that converts a second current into a second voltage, And a comparator for comparing the magnitudes of the first and second voltages.

より具体的には、第1及び第2のIV変換回路は、いずれも、ダイオード接続されたMOSトランジスタ、又は抵抗素子である。   More specifically, each of the first and second IV conversion circuits is a diode-connected MOS transistor or a resistance element.

また、具体的には、第1の電圧バッファは、第1のMOSトランジスタのドレイン電圧及び第1のMOSトランジスタ群におけるMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される演算増幅器と、第1のMOSトランジスタ群に接続され、ゲートに演算増幅器の出力電圧が印加されるMOSトランジスタとを有する。同様に、第2の電圧バッファは、第2のMOSトランジスタのドレイン電圧及び第2のMOSトランジスタ群におけるMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される演算増幅器と、第2のMOSトランジスタ群に接続され、ゲートに演算増幅器の出力電圧が印加されるMOSトランジスタとを有する。   Specifically, the first voltage buffer includes an operational amplifier to which the drain voltage of the first MOS transistor and the drain voltage of the MOS transistor in the first MOS transistor group are input, and the first MOS transistor group. And a MOS transistor connected to the gate and to which the output voltage of the operational amplifier is applied. Similarly, the second voltage buffer is connected to the operational amplifier to which the drain voltage of the second MOS transistor and the drain voltage of the MOS transistor in the second MOS transistor group are input, and to the second MOS transistor group. And a MOS transistor to which the output voltage of the operational amplifier is applied.

また、上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、CMOS回路における対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作するように当該CMOS回路の動作状態を自動調整する装置として、対象回路に入力されたならば第1のMOSトランジスタのドレイン電圧を最小にするようなレプリカ信号を生成するレプリカ信号生成回路と、対象回路のレプリカであって、第1のMOSトランジスタに相当する第2のMOSトランジスタを有し、レプリカ信号が入力されるレプリカ回路と、第1のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第1の電圧バッファと、第2のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第2の電圧バッファと、特性及びゲート及びソースの印加電圧が第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに第1の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第1のMOSトランジスタ群と、特性及びゲート及びソースの印加電圧が第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに第2の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第2のMOSトランジスタ群と、第1のMOSトランジスタ群に流れる第1の電流及び第2のMOSトランジスタ群に流れる第2の電流の大小比較をする比較回路と、比較回路の比較結果に基づいて、対象回路及びレプリカ回路の動作状態を調整する調整回路とを備えたものとする。   Further, the means taken by the present invention in order to solve the above problems is an apparatus for automatically adjusting the operating state of the CMOS circuit so that the first MOS transistor in the target circuit in the CMOS circuit operates in a saturation region. A replica signal generation circuit that generates a replica signal that minimizes the drain voltage of the first MOS transistor if input to the target circuit, and a replica of the target circuit, which corresponds to the first MOS transistor. A replica circuit to which a replica signal is input; a first voltage buffer to which a drain voltage of the first MOS transistor is input; and a drain circuit to which a drain voltage of the second MOS transistor is input. 2 voltage buffer, the characteristics and the applied voltage of the gate and the source are the same as the first MOS transistor, The first MOS transistor group having at least one MOS transistor to which the output voltage of the first voltage buffer is applied in the rain, the characteristics, the applied voltage of the gate and the source are the same as those of the first MOS transistor, and the drain is A second MOS transistor group having at least one MOS transistor to which an output voltage of the second voltage buffer is applied; a first current flowing through the first MOS transistor group; and a second current flowing through the second MOS transistor group. It is assumed that a comparison circuit for comparing the current levels of the current circuit and an adjustment circuit for adjusting the operation states of the target circuit and the replica circuit based on the comparison result of the comparison circuit are provided.

これによると、対象回路中の第1のMOSトランジスタが取り得る最小のドレイン電圧がレプリカ回路中の第2のMOSトランジスタにおいて再現され、これらドレイン電圧は、それぞれ、第1及び第2の電圧バッファによって第1及び第2のMOSトランジスタ群における各MOSトランジスタのドレイン電圧として再現され、比較回路によって、第1及び第2のMOSトランジスタ群のそれぞれに流れる第1及び第2の電流の大小比較が行われる。そして、この第1及び第2の電流の大小比較の結果から、対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作しているか否かを知ることができ、その比較結果に基づいて対象回路及びレプリカ回路の動作状態を調整することで、対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作するように自動調整することができる。   According to this, the minimum drain voltage that can be taken by the first MOS transistor in the target circuit is reproduced in the second MOS transistor in the replica circuit, and these drain voltages are respectively obtained by the first and second voltage buffers. It is reproduced as the drain voltage of each MOS transistor in the first and second MOS transistor groups, and the comparison circuit compares the first and second currents flowing in the first and second MOS transistor groups, respectively. . Then, from the result of the magnitude comparison of the first and second currents, it can be determined whether or not the first MOS transistor in the target circuit is operating in the saturation region, and the target circuit is based on the comparison result. By adjusting the operation state of the replica circuit, the first MOS transistor in the target circuit can be automatically adjusted so as to operate in the saturation region.

好ましくは、比較回路は、比較結果として、第1及び第2の電流の電流差の有無を示すデジタル信号を出力するものとする。そして、調整回路は、上記のデジタル信号によって上記の電流差があることが示されたとき、第2の電流が第1の電流に近づくように、対象回路及びレプリカ回路の動作状態を調整するものとする。   Preferably, the comparison circuit outputs a digital signal indicating the presence or absence of a current difference between the first and second currents as a comparison result. The adjustment circuit adjusts the operation state of the target circuit and the replica circuit so that the second current approaches the first current when the digital signal indicates that the current difference is present. And

これによると、対象回路中の第1のMOSトランジスタの動作範囲を段階的に飽和領域内に移動させることができる。   According to this, the operating range of the first MOS transistor in the target circuit can be moved stepwise into the saturation region.

より好ましくは、調整回路は、一回の調整で、対象回路及びレプリカ回路の動作状態を調整可能範囲の限界に設定するものとする。   More preferably, the adjustment circuit sets the operation state of the target circuit and the replica circuit to the limit of the adjustable range in one adjustment.

これによると、対象回路中の第1のMOSトランジスタの動作範囲をより早く飽和領域内に移動させることができる。   According to this, the operation range of the first MOS transistor in the target circuit can be moved into the saturation region earlier.

また、より好ましくは、調整回路は、上記のデジタル信号によって上記の電流差がないことが示されたとき、第2のMOSトランジスタの動作点をピンチオフ点に近づけるように、対象回路及びレプリカ回路の動作状態を調整するものとする。   More preferably, the adjustment circuit is configured such that when the digital signal indicates that there is no current difference, the adjustment circuit is configured so that the operating point of the second MOS transistor approaches the pinch-off point. The operating state shall be adjusted.

これによると、対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作するようにしつつ、その消費電力を低減することができる。   According to this, the power consumption can be reduced while the first MOS transistor in the target circuit operates in the saturation region.

さらに、第2の電流を第1の電流に近づけるときの調整幅は、第2のMOSトランジスタの動作点をピンチオフ点に近づけるときの調整幅よりも大きいことが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the adjustment width when the second current is brought close to the first current is larger than the adjustment width when the operating point of the second MOS transistor is brought close to the pinch-off point.

これによると、対象回路中の第1のMOSトランジスタについて、その動作範囲が飽和領域外にあるときには比較的早く飽和領域内に移動させ、その動作範囲が飽和領域内にあるときにはその飽和領域動作性を維持しつつ徐々にその消費電力を低減することができる。   According to this, when the operation range is outside the saturation region, the first MOS transistor in the target circuit is moved into the saturation region relatively quickly, and when the operation range is within the saturation region, the saturation region operability is achieved. The power consumption can be gradually reduced while maintaining the above.

また、好ましくは、比較回路は、比較結果として、第1及び第2の電流の電流差に応じた大きさのアナログ信号を出力するものとする。そして、調整回路は、上記のアナログ信号に従って、第2のMOSトランジスタの動作点がピンチオフ点に近づくように、対象回路及びレプリカ回路の動作状態を調整するものとする。   Preferably, the comparison circuit outputs an analog signal having a magnitude corresponding to the current difference between the first and second currents as a comparison result. The adjustment circuit adjusts the operation states of the target circuit and the replica circuit so that the operation point of the second MOS transistor approaches the pinch-off point according to the analog signal.

これによると、対象回路中の第1のMOSトランジスタの動作範囲を、飽和領域内でその消費電力が最小となるような最適動作範囲に移動させることができる。   According to this, the operation range of the first MOS transistor in the target circuit can be moved to the optimum operation range in which the power consumption is minimized within the saturation region.

具体的には、調整回路は、対象回路及び前記レプリカ回路に印加される電源電圧を調整するものである。   Specifically, the adjustment circuit adjusts the power supply voltage applied to the target circuit and the replica circuit.

また、具体的には、調整回路は、対象回路及びレプリカ回路に印加されるバイアスを調整するものである。   Specifically, the adjustment circuit adjusts the bias applied to the target circuit and the replica circuit.

また、具体的には、調整回路は、第1及び第2のMOSトランジスタ並びに第1及び第2のMOSトランジスタ群における各MOSトランジスタに印加される基板電圧を調整するものである。   Specifically, the adjustment circuit adjusts the substrate voltage applied to each MOS transistor in the first and second MOS transistors and the first and second MOS transistor groups.

上記のとおり本発明によると、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、対象回路におけるMOSトランジスタの飽和領域動作性を検出することができ、さらに、当該MOSトランジスタが飽和領域で動作するようにCMOS回路の動作状態を自動調整することができる。このため、LSIの歩留まりを向上することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to detect the saturation region operability of the MOS transistor in the target circuit while suppressing an increase in circuit scale and power consumption, and further, in order to operate the MOS transistor in the saturation region. The operating state of the circuit can be automatically adjusted. For this reason, the yield of LSI can be improved.

また、LSI上でプロセスばらつきや温度変動による回路特性の影響を低減することができるため、設計時の動作マージンを余分に確保する必要がなくなり、動作マージンを削減することができる。そして、本発明は、特に、動作範囲が限定される低電圧回路に有効である。   Further, since it is possible to reduce the influence of circuit characteristics due to process variations and temperature fluctuations on the LSI, it is not necessary to secure an extra operation margin at the time of design, and the operation margin can be reduced. The present invention is particularly effective for a low voltage circuit whose operating range is limited.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るCMOS回路特性自動調整装置の構成を示す。本装置は、レプリカ回路10、レプリカ信号生成回路20、電圧バッファ30a及び30b、比較回路40、調整回路50、及びnMOSトランジスタ101c及び101dを備え、対象回路100における定電流源としてのnMOSトランジスタ101aが飽和領域で動作するように対象回路100の動作状態を調整するものである。対象回路100は、任意のCMOS回路である。以下では、便宜のために、対象回路100は差動増幅回路であるとして説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to the first embodiment. This apparatus includes a replica circuit 10, a replica signal generation circuit 20, voltage buffers 30a and 30b, a comparison circuit 40, an adjustment circuit 50, and nMOS transistors 101c and 101d. An nMOS transistor 101a as a constant current source in the target circuit 100 is provided. The operation state of the target circuit 100 is adjusted so as to operate in the saturation region. The target circuit 100 is an arbitrary CMOS circuit. Hereinafter, for convenience, the target circuit 100 will be described as a differential amplifier circuit.

対象回路100は、nMOSトランジスタ101a、pMOSトランジスタ102a及び103a、及びnMOSトランジスタ104a及び105aから構成される。nMOSトランジスタ101aのゲートにはバイアスVbnが印加され、ソースには基準電圧が印加される。pMOSトランジスタ102a及び103aのゲートにはバイアスVbpが印加され、ソースには基準電圧が印加される。nMOSトランジスタ104a及び105aのゲートには、それぞれ、差動入力信号VIとしての電圧VI1及びVI2が印加される。   The target circuit 100 includes an nMOS transistor 101a, pMOS transistors 102a and 103a, and nMOS transistors 104a and 105a. A bias Vbn is applied to the gate of the nMOS transistor 101a, and a reference voltage is applied to the source. A bias Vbp is applied to the gates of the pMOS transistors 102a and 103a, and a reference voltage is applied to the sources. Voltages VI1 and VI2 as differential input signals VI are applied to the gates of the nMOS transistors 104a and 105a, respectively.

レプリカ回路10は、対象回路100のレプリカであり、本実施形態では差動増幅回路として構成されている。レプリカ回路10において、nMOSトランジスタ101b、104b及び105b並びにpMOSトランジスタ102b及び103bは、それぞれ、対象回路100におけるnMOSトランジスタ101a、104a及び105a並びにpMOSトランジスタ102a及び103aに相当する。レプリカ回路10におけるこれらnMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタは、それぞれ、対象回路100におけるnMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタと同じ特性のものである。対象回路100と同様に、nMOSトランジスタ101aのゲートにはバイアスVbnが印加され、ソースには基準電圧が印加される。また、pMOSトランジスタ102b及び103bのゲートにはバイアスVbpが印加され、ソースには基準電圧が印加される。しかし、対象回路100とは異なり、nMOSトランジスタ104b及び105bのゲートにはレプリカ信号Vrepが入力される。   The replica circuit 10 is a replica of the target circuit 100, and is configured as a differential amplifier circuit in the present embodiment. In the replica circuit 10, nMOS transistors 101b, 104b and 105b and pMOS transistors 102b and 103b correspond to the nMOS transistors 101a, 104a and 105a and the pMOS transistors 102a and 103a in the target circuit 100, respectively. The nMOS transistor and the pMOS transistor in the replica circuit 10 have the same characteristics as the nMOS transistor and the pMOS transistor in the target circuit 100, respectively. Similar to the target circuit 100, a bias Vbn is applied to the gate of the nMOS transistor 101a, and a reference voltage is applied to the source. Further, a bias Vbp is applied to the gates of the pMOS transistors 102b and 103b, and a reference voltage is applied to the sources. However, unlike the target circuit 100, the replica signal Vrep is input to the gates of the nMOS transistors 104b and 105b.

レプリカ信号生成回路20は、レプリカ信号Vrepを生成する。レプリカ信号Vrepは、対象回路100に入力されたならばnMOSトランジスタ101aのドレイン電圧Vd1を最小にするような信号である。差動増幅回路の場合、差動入力が同相、かつ、振幅中心レベルのとき、ドレイン電圧Vd1は最小となる。したがって、本実施形態では、レプリカ信号生成回路10は、レプリカ信号Vrepとして、差動入力信号VIの振幅中心レベルの電圧を出力する。具体的には、電圧VI1及びVI2を抵抗分圧することで差動入力信号VIの振幅中心レベルの電圧を得ることができる。   The replica signal generation circuit 20 generates a replica signal Vrep. The replica signal Vrep is a signal that minimizes the drain voltage Vd1 of the nMOS transistor 101a when input to the target circuit 100. In the case of the differential amplifier circuit, the drain voltage Vd1 is minimized when the differential inputs are in-phase and at the amplitude center level. Therefore, in the present embodiment, the replica signal generation circuit 10 outputs a voltage at the amplitude center level of the differential input signal VI as the replica signal Vrep. Specifically, the voltage at the amplitude center level of the differential input signal VI can be obtained by resistance-dividing the voltages VI1 and VI2.

電圧バッファ30aは、演算増幅器31a及びnMOSトランジスタ32aから構成される。演算増幅器31aには、対象回路100におけるnMOSトランジスタ101aのドレイン電圧Vd1、及びnMOSトランジスタ101cのドレイン電圧Vd3が入力される。nMOSトランジスタ32aは、nMOSトランジスタ101cと接続され、ゲートに演算増幅器31aの出力電圧が印加される。すなわち、電圧バッファ30aは、ドレイン電圧Vd1及びVd3が等しくなるように動作する。演算増幅器31aの反転及び非反転の入力端のインピーダンスは十分に高いため、演算増幅器31aによる対象回路100及びnMOSトランジスタ101cへの動作影響は無視することができる。   The voltage buffer 30a includes an operational amplifier 31a and an nMOS transistor 32a. The operational amplifier 31a receives the drain voltage Vd1 of the nMOS transistor 101a and the drain voltage Vd3 of the nMOS transistor 101c in the target circuit 100. The nMOS transistor 32a is connected to the nMOS transistor 101c, and the output voltage of the operational amplifier 31a is applied to the gate. That is, the voltage buffer 30a operates so that the drain voltages Vd1 and Vd3 are equal. Since the impedance at the inverting and non-inverting input terminals of the operational amplifier 31a is sufficiently high, the influence of the operational amplifier 31a on the target circuit 100 and the nMOS transistor 101c can be ignored.

電圧バッファ30bは、演算増幅器31b及びnMOSトランジスタ32bから構成される。演算増幅器31bには、レプリカ回路10におけるnMOSトランジスタ101bのドレイン電圧Vd2、及びnMOSトランジスタ101dのドレイン電圧Vd4が入力される。nMOSトランジスタ32bは、nMOSトランジスタ101dと接続され、ゲートに演算増幅器31bの出力電圧が印加される。すなわち、電圧バッファ30bは、ドレイン電圧Vd2及びVd4が等しくなるように動作する。演算増幅器31bの反転及び非反転の入力端のインピーダンスは十分に高いため、演算増幅器31bによるレプリカ回路10及びnMOSトランジスタ101dへの動作影響は無視することができる。   The voltage buffer 30b includes an operational amplifier 31b and an nMOS transistor 32b. The operational amplifier 31b receives the drain voltage Vd2 of the nMOS transistor 101b and the drain voltage Vd4 of the nMOS transistor 101d in the replica circuit 10. The nMOS transistor 32b is connected to the nMOS transistor 101d, and the output voltage of the operational amplifier 31b is applied to the gate. That is, the voltage buffer 30b operates so that the drain voltages Vd2 and Vd4 are equal. Since the impedance of the inverting and non-inverting input terminals of the operational amplifier 31b is sufficiently high, the operational effects of the operational amplifier 31b on the replica circuit 10 and the nMOS transistor 101d can be ignored.

比較回路40は、nMOSトランジスタ101c及び101dのそれぞれに流れるドレイン電流Id3及びId4の大小比較を行う。ここで、nMOSトランジスタ101c及び101dは、いずれも、対象回路100におけるnMOSトランジスタ101aと同じ特性であり、ゲートにはバイアスVbnが印加され、ソースには基準電圧が印加されている。したがって、nMOSトランジスタ101cには、nMOSトランジスタ101aに流れるドレイン電流Id1がミラーリングされてドレイン電流Id3が流れる。同様に、nMOSトランジスタ101dには、nMOSトランジスタ101bに流れる電流Id2がミラーリングされてドレイン電流Id4が流れる。すなわち、比較回路40は、実質的にはドレイン電流Id1及びId2の大小比較を行うものである。   The comparison circuit 40 compares the drain currents Id3 and Id4 flowing through the nMOS transistors 101c and 101d, respectively. Here, each of the nMOS transistors 101c and 101d has the same characteristics as the nMOS transistor 101a in the target circuit 100, and a bias Vbn is applied to the gate and a reference voltage is applied to the source. Therefore, the drain current Id1 flowing through the nMOS transistor 101a is mirrored and the drain current Id3 flows through the nMOS transistor 101c. Similarly, the current Id2 flowing through the nMOS transistor 101b is mirrored and the drain current Id4 flows through the nMOS transistor 101d. That is, the comparison circuit 40 substantially compares the drain currents Id1 and Id2.

具体的には、比較回路40は、ダイオード接続接続されたpMOSトランジスタ41a及び41b、及び比較器42から構成される。pMOSトランジスタ41aは、nMOSトランジスタ101cに流れるドレイン電流Id3を電圧V1に変換する能動負荷あるいはIV変換回路として動作する。同様に、pMOSトランジスタ41bは、nMOSトランジスタ101dに流れるドレイン電流Id4を電圧V2に変換する能動負荷あるいはIV変換回路として動作する。比較器42は、pMOSトランジスタ41a及び41bのそれぞれによって変換された電圧V1及びV2の大小比較を行う。すなわち、比較回路40は、ドレイン電流Id3及びId4の大小比較を、これら電流を一端電圧に変換した上で間接的に行っている。もちろん、ドレイン電流Id3及びId4の大小比較を直接的に行うようにしてもよい。   Specifically, the comparison circuit 40 includes diode-connected pMOS transistors 41 a and 41 b and a comparator 42. The pMOS transistor 41a operates as an active load or an IV conversion circuit that converts the drain current Id3 flowing through the nMOS transistor 101c into the voltage V1. Similarly, the pMOS transistor 41b operates as an active load or an IV conversion circuit that converts the drain current Id4 flowing through the nMOS transistor 101d into the voltage V2. The comparator 42 compares the voltages V1 and V2 converted by the pMOS transistors 41a and 41b, respectively. That is, the comparison circuit 40 indirectly compares the drain currents Id3 and Id4 after converting these currents into a voltage. Of course, the drain currents Id3 and Id4 may be directly compared in magnitude.

比較回路40の出力はデジタル信号及びアナログ信号のいずれでもよい。デジタル信号の場合には、ドレイン電流Id3及びId4に電流差があるか否かを端的に表すことができる。一方、アナログ信号の場合には、電流差の大きさを表すことができる。   The output of the comparison circuit 40 may be either a digital signal or an analog signal. In the case of a digital signal, it can be simply expressed whether or not there is a current difference between the drain currents Id3 and Id4. On the other hand, in the case of an analog signal, the magnitude of the current difference can be expressed.

調整回路50は、比較回路40の比較結果に基づいて、対象回路100及びレプリカ回路10の動作状態を調整する。具体的には、調整回路50は、比較回路40の比較結果によってドレイン電流Id3及びId4の電流差があることが示されたとき、ドレイン電流Id2がドレイン電流Id1に近づくように、対象回路100及びレプリカ回路10の動作状態を調整する。一方、比較回路40の比較結果からドレイン電流Id3及びId4の電流差がないことが示されたとき、nMOSトランジスタ101bの動作点がピンチオフ点に近づくように、対象回路100及びレプリカ回路10の特性を調整する。   The adjustment circuit 50 adjusts the operation states of the target circuit 100 and the replica circuit 10 based on the comparison result of the comparison circuit 40. Specifically, when the comparison result of the comparison circuit 40 indicates that there is a current difference between the drain currents Id3 and Id4, the adjustment circuit 50 adjusts the target circuit 100 and the target circuit 100 so that the drain current Id2 approaches the drain current Id1. The operation state of the replica circuit 10 is adjusted. On the other hand, when the comparison result of the comparison circuit 40 indicates that there is no current difference between the drain currents Id3 and Id4, the characteristics of the target circuit 100 and the replica circuit 10 are set so that the operating point of the nMOS transistor 101b approaches the pinch-off point. adjust.

図2を参照しながら調整回路50による調整の原理について説明する。定電流源として用いられるnMOSトランジスタ101aは飽和領域で動作する必要がある。さらに、低電力動作の観点から、ドレイン電圧はより小さいことが好ましい。このことから、範囲AがnMOSトランジスタ101aの最適動作範囲となる。しかし、実際には、プロセスばらつきや温度変動などにより、nMOSトランジスタ101aは線形領域を含む範囲Bで動作することがある。この場合、範囲Bの下限点、すなわち、nMOSトランジスタ101bの動作点におけるドレイン電流とnMOSトランジスタ101aの動作点におけるドレイン電流との間には電流差が生じており、同様の電流差はnMOSトランジスタ101cとnMOSトランジスタ101dとの間にも生じている。調整回路50は、比較回路40の比較結果から電流差があることを検知したとき、nMOSトランジスタ101bのドレイン電流がnMOSトランジスタ101aのドレイン電流に近づくように、対象回路100及びレプリカ回路10の動作状態を調整する。この結果、nMOSトランジスタ101aの動作範囲は、その全体が線形領域に含まれるように方向αに移動する。   The principle of adjustment by the adjustment circuit 50 will be described with reference to FIG. The nMOS transistor 101a used as a constant current source needs to operate in a saturation region. Furthermore, the drain voltage is preferably smaller from the viewpoint of low power operation. Thus, the range A is the optimum operating range of the nMOS transistor 101a. However, in practice, the nMOS transistor 101a may operate in a range B including a linear region due to process variations, temperature fluctuations, and the like. In this case, there is a current difference between the lower limit of the range B, that is, the drain current at the operating point of the nMOS transistor 101b and the drain current at the operating point of the nMOS transistor 101a. And nMOS transistor 101d. When the adjustment circuit 50 detects that there is a current difference from the comparison result of the comparison circuit 40, the operation state of the target circuit 100 and the replica circuit 10 is set so that the drain current of the nMOS transistor 101b approaches the drain current of the nMOS transistor 101a. Adjust. As a result, the operating range of the nMOS transistor 101a moves in the direction α so that the entire operating range is included in the linear region.

調整回路50による調整量が大き過ぎた場合、nMOSトランジスタ101aの動作範囲は、最適動作範囲である範囲Aを過ぎて範囲Cにまで達してしまうことがある。この場合、nMOSトランジスタ101bは飽和領域で動作しているため、範囲Cの下限点であるnMOSトランジスタ101bの動作点におけるドレイン電流とnMOSトランジスタ101aの動作点におけるドレイン電流との間には電流差は生じていない。したがって、nMOSトランジスタ101cとnMOSトランジスタ101dとの間でも電流差は生じていない。調整回路50は、比較回路40の比較結果から電流差がないことを検知したとき、nMOSトランジスタ101bの動作点がピンチオフ点に近づくように、対象回路100及びレプリカ回路10の動作状態を調整する。この結果、nMOSトランジスタ101aの動作範囲は、最適動作範囲である範囲Aに戻る方向βに移動する。   If the adjustment amount by the adjustment circuit 50 is too large, the operation range of the nMOS transistor 101a may reach the range C past the range A which is the optimum operation range. In this case, since the nMOS transistor 101b operates in the saturation region, there is no current difference between the drain current at the operating point of the nMOS transistor 101b, which is the lower limit point of the range C, and the drain current at the operating point of the nMOS transistor 101a. It has not occurred. Therefore, no current difference is generated between the nMOS transistor 101c and the nMOS transistor 101d. When the adjustment circuit 50 detects from the comparison result of the comparison circuit 40 that there is no current difference, the adjustment circuit 50 adjusts the operation state of the target circuit 100 and the replica circuit 10 so that the operation point of the nMOS transistor 101b approaches the pinch-off point. As a result, the operation range of the nMOS transistor 101a moves in the direction β returning to the range A which is the optimum operation range.

調整回路50は、例えば、対象回路100及びレプリカ回路10に印加される電源電圧やバイアスVbpを調整可能な可変電源であってもよい。電源電圧又はバイアスVbpを調整することでドレイン電圧Vd1及びVd2並びにドレイン電圧Vd3及びVd4が連動して変化し、nMOSトランジスタ101bの動作点を任意に移動させることができる。   For example, the adjustment circuit 50 may be a variable power supply capable of adjusting the power supply voltage and the bias Vbp applied to the target circuit 100 and the replica circuit 10. By adjusting the power supply voltage or the bias Vbp, the drain voltages Vd1 and Vd2 and the drain voltages Vd3 and Vd4 change in conjunction with each other, and the operating point of the nMOS transistor 101b can be moved arbitrarily.

また、調整回路50は、nMOSトランジスタ101a〜101dに印加される基板電圧を調整可能な可変電源であってもよい。プロセスばらつきや温度条件などによりnMOSトランジスタ101a〜101dの閾値電圧が高い方にシフトし、動作領域が線形領域へとシフトすることがあるが、基板電圧を調整することでnMOSトランジスタ101a〜101dの閾値電圧が変化し、ピンチオフ点を任意に移動させることができる。このため、特にドレイン電圧を変化させなくともnMOSトランジスタ101bの動作点をピンチオフ点に近づけることができる。基板電圧Vbsと閾値電圧Vtとの間には次式が成り立つ。
Vt=Vt0+γ(√(Vbs+2φF)−√(2φF))
ただし、Vt0は基板−ソース間の電圧をゼロとしてときの閾値電圧、γは基板バイアスの効果を表す係数、φFはフェルミポテンシャルである。このように、閾値電圧は、基板電圧の平方根の関数として影響している。
The adjustment circuit 50 may be a variable power source that can adjust the substrate voltage applied to the nMOS transistors 101a to 101d. The threshold voltage of the nMOS transistors 101a to 101d may be shifted to a higher one due to process variations, temperature conditions, and the like, and the operation region may shift to a linear region, but the thresholds of the nMOS transistors 101a to 101d may be adjusted by adjusting the substrate voltage. The voltage changes and the pinch-off point can be moved arbitrarily. Therefore, the operating point of the nMOS transistor 101b can be brought close to the pinch-off point without changing the drain voltage. The following equation holds between the substrate voltage Vbs and the threshold voltage Vt.
Vt = Vt0 + γ (√ (Vbs + 2φF) −√ (2φF))
However, Vt0 is a threshold voltage when the substrate-source voltage is zero, γ is a coefficient representing the effect of the substrate bias, and φF is a Fermi potential. Thus, the threshold voltage affects as a function of the square root of the substrate voltage.

電源電圧を調整するとCMSO回路全体に影響が及ぶのに対して、基板電圧の調整では影響の範囲が、例えば、p基板のみのように局所的である。したがって、他への影響を考慮すると基板電圧の調整が有利である。基板電圧には設定限界があり、例えば、p基板の基板電圧にはnMOSトランジスタの信頼性上の上限値がある。基板電圧が設定限界を超えた場合には、基板−ソース間、及び基板−ドレイン間のPN接合が順方向となり、基板へと電流が流れ、トランジスタとして機能しなくなる。この特性を利用すると、基板電圧を設定限界値に設定しても、ドレイン電流Id1とドレイン電流Id2との間に電流差が生じているようなら、そのCMOS回路は定格電圧内で補償不可能な不良品であると判断することができる。   When the power supply voltage is adjusted, the entire CMSO circuit is affected. On the other hand, when the substrate voltage is adjusted, the range of influence is local, for example, only on the p substrate. Accordingly, it is advantageous to adjust the substrate voltage in consideration of the influence on others. The substrate voltage has a setting limit. For example, the substrate voltage of a p-substrate has an upper limit value on the reliability of the nMOS transistor. When the substrate voltage exceeds the set limit, the PN junction between the substrate and the source and between the substrate and the drain becomes a forward direction, current flows to the substrate, and the transistor does not function. If this characteristic is used, even if the substrate voltage is set to the set limit value, if a current difference appears between the drain current Id1 and the drain current Id2, the CMOS circuit cannot compensate within the rated voltage. It can be determined that the product is defective.

本実施形態に係るCMOS回路特性自動調整装置の処理シーケンスについて図3のフローチャートを参照しながら説明する。まず、nMOSトランジスタ101cのドレイン電流Id3とnMOSトランジスタ101dのドレイン電流Id4との大小比較が行われる(ステップS10)。そして、ドレイン電流Id3及びId4に電流差がある場合(ステップS11のYES肢)、(1)対象回路100及びレプリカ回路10の電源電圧を上げるか、(2)バイアスVbpを下げるか、又は(3)nMOSトランジスタ101a〜101dの基板電圧を上げるかのいずれかの処理が行われる(ステップS12)。一方、ドレイン電流Id3及びId4に電流差がない場合(ステップS11のNO肢)、ステップS12とは逆の処理、すなわち、(1)対象回路100及びレプリカ回路10の電源電圧を下げるか、(2)バイアスVbpを上げるか、又は(3)nMOSトランジスタ101a〜101dの基板電圧を下げるかのいずれかの処理が行われる(ステップS13)。そして、ステップS12又はS13に続いて、調整処理を終了するか否かが判定され、続行する場合にはステップS10に戻る(ステップS14のNO肢)。この処理シーケンスにより、nMOSトランジスタ101aの動作範囲を最適動作範囲(図2参照)に近づけることができる。   A processing sequence of the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, a comparison is made between the drain current Id3 of the nMOS transistor 101c and the drain current Id4 of the nMOS transistor 101d (step S10). If there is a difference between the drain currents Id3 and Id4 (YES in step S11), (1) increase the power supply voltage of the target circuit 100 and the replica circuit 10, (2) decrease the bias Vbp, or (3 ) One of the processes of increasing the substrate voltage of the nMOS transistors 101a to 101d is performed (step S12). On the other hand, if there is no current difference between the drain currents Id3 and Id4 (NO in step S11), the process opposite to that in step S12, that is, (1) reduce the power supply voltage of the target circuit 100 and the replica circuit 10 or (2 The process of either increasing the bias Vbp or (3) decreasing the substrate voltage of the nMOS transistors 101a to 101d is performed (step S13). Then, following step S12 or S13, it is determined whether or not the adjustment process is to be ended, and when continuing, the process returns to step S10 (NO in step S14). With this processing sequence, the operating range of the nMOS transistor 101a can be brought close to the optimum operating range (see FIG. 2).

上記処理シーケンスは、CMOS回路の起動時等の回路初期化時に、又は回路動作に影響しない範囲で一定時間(例えば、1ms)ごとに実行すればよい。回路初期化時に上記処理シーケンスを実行することで、プロセスばらつきのようなサンプル依存の動作点のずれに対応することができる。また、一定時間ごとに上記処理シーケンスを実行することで、温度変動などによる動作状態に依存した動作点のずれに対応することができる。   The above processing sequence may be executed at a predetermined time (for example, 1 ms) at the time of circuit initialization such as when the CMOS circuit is activated or within a range that does not affect the circuit operation. By executing the above-described processing sequence at the time of circuit initialization, it is possible to cope with deviations in sample-dependent operating points such as process variations. Further, by executing the above processing sequence at regular intervals, it is possible to cope with a shift in operating point depending on the operating state due to temperature fluctuation or the like.

なお、ステップS12及びS13における各種電圧の調整は、連続的なものであっても離散的なものであってもよい。すなわち、比較回路40から、ドレイン電流Id3及びId4の電流差に応じた大きさのアナログ信号が出力される場合には、各種電圧をアナログ信号に従って連続的に調整すればよい。一方、比較回路40から、ドレイン電流Id3及びId4の電流差の有無を示すデジタル信号が出力される場合には、各種電圧を所定の幅、例えば、100mVのステップで離散的に調整すればよい。   The adjustment of various voltages in steps S12 and S13 may be continuous or discrete. That is, when an analog signal having a magnitude corresponding to the current difference between the drain currents Id3 and Id4 is output from the comparison circuit 40, various voltages may be continuously adjusted according to the analog signal. On the other hand, when a digital signal indicating the presence or absence of the current difference between the drain currents Id3 and Id4 is output from the comparison circuit 40, various voltages may be discretely adjusted with a predetermined width, for example, a step of 100 mV.

さらに、ステップS13での調整幅よりもステップS12での調整幅の方を大きく設定するとよい。例えば、ステップS12では100mVのステップで調整し、ステップS13ではその1/10の10mVのステップで調整する。これは、nMOSトランジスタ101aが飽和領域で動作していない場合には、より早く飽和領域で動作する必要があるのに対して、nMOSトランジスタ101aが飽和領域で動作している場合には、急激な調整を行うとnMOSトランジスタ101aの動作範囲が再び飽和領域からはみ出てしまうおそれがあるからである。   Furthermore, the adjustment width in step S12 may be set larger than the adjustment width in step S13. For example, in step S12, the adjustment is performed at a step of 100 mV, and in step S13, the adjustment is performed at a step of 10 mV, which is 1/10 of that. This is because, when the nMOS transistor 101a is not operating in the saturation region, it is necessary to operate in the saturation region earlier, whereas when the nMOS transistor 101a is operating in the saturation region, it is abrupt. This is because if the adjustment is performed, the operating range of the nMOS transistor 101a may protrude from the saturation region again.

また、ステップS13は特に省略してもよい。ステップS12の処理のみで、nMOSトランジスタ101aを飽和領域で動作させるという所期の目的が達せられる。そして、ステップS12において、一回の調整で各種電圧を調整可能範囲の限界に設定することで、最も素早くnMOSトランジスタ101aの動作範囲を飽和領域内に移動させることができる。   Step S13 may be omitted in particular. The intended purpose of operating the nMOS transistor 101a in the saturation region can be achieved only by the processing in step S12. In step S12, the operation range of the nMOS transistor 101a can be moved to the saturation region most quickly by setting various voltages to the limit of the adjustable range in one adjustment.

以上、本実施形態によると、特に回路規模及び消費電力を増大させることなく、対象回路における定電流源としてのMOSトランジスタが飽和領域で動作するようにCMOS回路特性を自動調整することができる。   As described above, according to this embodiment, the CMOS circuit characteristics can be automatically adjusted so that the MOS transistor as the constant current source in the target circuit operates in the saturation region without particularly increasing the circuit scale and power consumption.

(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態に係るCMOS回路特性自動調整装置の構成を示す。本装置は、レプリカ回路10、レプリカ信号生成回路20、電圧バッファ30a’及び30b’、比較回路40’、調整回路50、及びMOSトランジスタ群60a及び60bを備え、対象回路100における定電流源としてのnMOSトランジスタ101aが飽和領域で動作するように対象回路100の動作状態を調整するものである。なお、レプリカ回路10、レプリカ信号生成回路20、調整回路50は第1の実施形態に係る装置の構成要素と同様であるためこれらの説明を省略し、以下、第1の実施形態と異なる点についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows the configuration of a CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to the second embodiment. This apparatus includes a replica circuit 10, a replica signal generation circuit 20, voltage buffers 30a ′ and 30b ′, a comparison circuit 40 ′, an adjustment circuit 50, and MOS transistor groups 60a and 60b, and serves as a constant current source in the target circuit 100. The operation state of the target circuit 100 is adjusted so that the nMOS transistor 101a operates in the saturation region. Note that the replica circuit 10, the replica signal generation circuit 20, and the adjustment circuit 50 are the same as the components of the apparatus according to the first embodiment, and thus description thereof will be omitted. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described. Only explained.

MOSトランジスタ群60aは、4個のnMOSトランジスタ101c1、101c2、101c3及び101c4から構成される。また、MOSトランジスタ群60bは、4個のnMOSトランジスタ101d1、101d2、101d3及び101d4からなる。これらnMOSトランジスタ101c1〜101c4及び101d1〜101d4は、いずれも、対象回路100におけるnMOSトランジスタ101aと同じ特性であり、ゲートにはバイアスVbnが印加され、ソースには基準電圧が印加されている。なお、MOSトランジスタ群60a及び60bを構成するnMOSトランジスタの個数は任意であり、ここでは説明の便宜上4個としている。   The MOS transistor group 60a includes four nMOS transistors 101c1, 101c2, 101c3, and 101c4. The MOS transistor group 60b is composed of four nMOS transistors 101d1, 101d2, 101d3, and 101d4. The nMOS transistors 101c1 to 101c4 and 101d1 to 101d4 all have the same characteristics as the nMOS transistor 101a in the target circuit 100, and a bias Vbn is applied to the gate and a reference voltage is applied to the source. Note that the number of nMOS transistors constituting the MOS transistor groups 60a and 60b is arbitrary, and is four here for convenience of explanation.

電圧バッファ30a’は、演算増幅器31aからなる電圧フォロワ回路である。演算増幅器31aには、対象回路100におけるnMOSトランジスタ101aのドレイン電圧Vd1が入力される。電圧バッファ30a’は、演算増幅器31aの出力端がMOSトランジスタ群60aに直接接続されているため、nMOSトランジスタを32aが介在する図1に示した電圧バッファ30aと比べて精度はやや劣るものの、MOSトランジスタ群60aにおけるnMOSトランジスタ101c1〜101c4のドレイン電圧Vd3をドレイン電圧Vd1と等しくすることができる。   The voltage buffer 30a 'is a voltage follower circuit including an operational amplifier 31a. The drain voltage Vd1 of the nMOS transistor 101a in the target circuit 100 is input to the operational amplifier 31a. In the voltage buffer 30a ', since the output terminal of the operational amplifier 31a is directly connected to the MOS transistor group 60a, the accuracy is slightly inferior to that of the voltage buffer 30a shown in FIG. The drain voltage Vd3 of the nMOS transistors 101c1 to 101c4 in the transistor group 60a can be made equal to the drain voltage Vd1.

電圧バッファ30b’は、演算増幅器31bからなる電圧フォロワ回路である。演算増幅器31bには、レプリカ回路10におけるnMOSトランジスタ101bのドレイン電圧Vd2が入力される。電圧バッファ30b’は、演算増幅器31bの出力端がMOSトランジスタ群60bに直接接続されているため、nMOSトランジスタを32bが介在する図1に示した電圧バッファ30bと比べて精度はやや劣るものの、MOSトランジスタ群60bにおけるnMOSトランジスタ101d1〜101d4のドレイン電圧Vd4をドレイン電圧Vd2と等しくすることができる。   The voltage buffer 30b 'is a voltage follower circuit including an operational amplifier 31b. The drain voltage Vd2 of the nMOS transistor 101b in the replica circuit 10 is input to the operational amplifier 31b. Since the output terminal of the operational amplifier 31b is directly connected to the MOS transistor group 60b, the voltage buffer 30b ′ has a slightly lower accuracy than the voltage buffer 30b shown in FIG. The drain voltage Vd4 of the nMOS transistors 101d1 to 101d4 in the transistor group 60b can be made equal to the drain voltage Vd2.

nMOSトランジスタ101c1〜101c4のそれぞれには、nMOSトランジスタ101aに流れるドレイン電流Id1がミラーリングされてドレイン電流Id3が流れ、MOSトランジスタ群60aにはその4倍の電流(4*Id3)が流れる。同様に、nMOSトランジスタ101d1〜101d4のそれぞれには、nMOSトランジスタ101bに流れる電流Id2がミラーリングされてドレイン電流Id4が流れ、MOSトランジスタ群60bにはその4倍の電流(4*Id4)が流れる。したがって、MOSトランジスタ群60a及び60bには、それぞれ、ドレイン電流Id1及びId2の4倍に相当する電流が流れることになる。   In each of the nMOS transistors 101c1 to 101c4, the drain current Id1 flowing in the nMOS transistor 101a is mirrored to cause a drain current Id3 to flow, and in the MOS transistor group 60a, a current (4 * Id3) four times larger than that. Similarly, in each of the nMOS transistors 101d1 to 101d4, the current Id2 flowing in the nMOS transistor 101b is mirrored to cause the drain current Id4 to flow, and in the MOS transistor group 60b, a current (4 * Id4) that is four times the current flows. Therefore, currents corresponding to four times the drain currents Id1 and Id2 flow through the MOS transistor groups 60a and 60b, respectively.

比較回路40’は、比較器42及び抵抗43a及び43bから構成される。抵抗43aは、MOSトランジスタ群60aに流れる電流(4*Id3)を電圧V1’に変換する能動負荷あるいはIV変換回路として動作する。同様に、抵抗43bは、MOSトランジスタ群60bに流れる電流(4*Id4)を電圧V2’に変換する能動負荷あるいはIV変換回路として動作する。比較器42は、抵抗43a及び43bのそれぞれによって変換された電圧V1’及びV2’の大小比較を行う。すなわち、比較回路40’は、実質的にはドレイン電流Id1の4倍に相当する電流及びドレイン電流Id2の4倍に相当する電流の大小比較を行うものである。   The comparison circuit 40 'includes a comparator 42 and resistors 43a and 43b. The resistor 43a operates as an active load or an IV conversion circuit that converts the current (4 * Id3) flowing through the MOS transistor group 60a into the voltage V1 '. Similarly, the resistor 43b operates as an active load or an IV conversion circuit that converts a current (4 * Id4) flowing through the MOS transistor group 60b into a voltage V2 '. The comparator 42 compares the voltages V1 'and V2' converted by the resistors 43a and 43b, respectively. That is, the comparison circuit 40 'performs a magnitude comparison between a current substantially equivalent to four times the drain current Id1 and a current equivalent to four times the drain current Id2.

以上、本実施形態によると、対象回路における定電流源としてのMOSトランジスタのドレイン電流とレプリカ回路における相当MOSトランジスタのドレイン電流との電流差を、第1の実施形態の4倍の精度で検出することができる。このため、対象回路及びレプリカ回路におけるMOSトランジスタのそれぞれに流れる電流が微少な場合でも、これらの電流差を検出することができる。   As described above, according to the present embodiment, the current difference between the drain current of the MOS transistor as the constant current source in the target circuit and the drain current of the equivalent MOS transistor in the replica circuit is detected with four times the accuracy of the first embodiment. be able to. Therefore, even when the current flowing through each of the MOS transistors in the target circuit and the replica circuit is very small, the difference between these currents can be detected.

なお、上記説明は対象回路におけるnMOSトランジスタの飽和領域動作性の保証をするためのものであるが、本発明は、対象回路におけるpMOSトランジスタの飽和領域動作性を保証するためにも適用可能である。その場合、例えば、図2中のステップS12及びS13での調整が逆になることは言うまでもない。   Although the above description is for ensuring the saturation region operability of the nMOS transistor in the target circuit, the present invention can also be applied to ensure the saturation region operability of the pMOS transistor in the target circuit. . In that case, for example, it goes without saying that the adjustments in steps S12 and S13 in FIG. 2 are reversed.

また、単に対象回路におけるMOSトランジスタの飽和領域動作性を検出できればよいのであれば、第1及び第2の実施形態において調整回路50を省略してもよい。これにより、MOSトランジスタ特性検出装置として機能する。   Further, the adjustment circuit 50 may be omitted in the first and second embodiments as long as the saturation region operability of the MOS transistor in the target circuit can be detected. This functions as a MOS transistor characteristic detection device.

本発明に係る装置は、回路規模及び消費電力の増大を抑えつつ、対象回路におけるMOSトランジスタの飽和領域動作性を検出することができ、さらに、当該MOSトランジスタが飽和領域で動作するようにCMOS回路の動作状態を自動調整することができるため、特に、定電流源としてのMOSトランジスタを備えた低電圧動作のCMOS回路に有用である。   The device according to the present invention can detect the saturation region operability of the MOS transistor in the target circuit while suppressing an increase in circuit scale and power consumption, and further, the CMOS circuit so that the MOS transistor operates in the saturation region. Therefore, it is particularly useful for a low voltage operation CMOS circuit having a MOS transistor as a constant current source.

第1の実施形態に係るCMOS回路特性自動調整装置の構成図である。It is a block diagram of the CMOS circuit characteristic automatic adjustment apparatus which concerns on 1st Embodiment. 特性調整の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of characteristic adjustment. 特性調整のフローチャートである。It is a flowchart of characteristic adjustment. 第2の実施形態に係るCMOS回路特性自動調整装置の構成図である。It is a block diagram of the CMOS circuit characteristic automatic adjustment apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 レプリカ回路
20 レプリカ信号生成回路
30a,30a’電圧バッファ(第1の電圧バッファ)
30b,30b’電圧バッファ(第2の電圧バッファ)
31a,31b 演算増幅器
32a,32b nMOSトランジスタ(MOSトランジスタ)
40,40’ 比較回路
41a pMOSトランジスタ(第1のIV変換回路、MOSトランジスタ)
41b pMOSトランジスタ(第2のIV変換回路、MOSトランジスタ)
42 比較器
43a 抵抗(第1のIV変換回路、抵抗素子)
43b 抵抗(第2のIV変換回路、抵抗素子)
50 調整回路
60a MOSトランジスタ群(第1のMOSトランジスタ群)
60b MOSトランジスタ群(第2のMOSトランジスタ群)
101a nMOSトランジスタ(第1のMOSトランジスタ)
101b nMOSトランジスタ(第2のMOSトランジスタ)
101c,101c1〜101c4 nMOSトランジスタ(第1のMOSトランジスタ群におけるMOSトランジスタ)
101d,101d1〜101d4 nMOSトランジスタ(第2のMOSトランジスタ群におけるMOSトランジスタ)
10 replica circuit 20 replica signal generation circuit 30a, 30a ′ voltage buffer (first voltage buffer)
30b, 30b ′ voltage buffer (second voltage buffer)
31a, 31b operational amplifiers 32a, 32b nMOS transistors (MOS transistors)
40, 40 'comparison circuit 41a pMOS transistor (first IV conversion circuit, MOS transistor)
41b pMOS transistor (second IV conversion circuit, MOS transistor)
42 Comparator 43a Resistance (first IV conversion circuit, resistance element)
43b Resistance (second IV conversion circuit, resistance element)
50 adjustment circuit 60a MOS transistor group (first MOS transistor group)
60b MOS transistor group (second MOS transistor group)
101a nMOS transistor (first MOS transistor)
101b nMOS transistor (second MOS transistor)
101c, 101c1 to 101c4 nMOS transistors (MOS transistors in the first MOS transistor group)
101d, 101d1 to 101d4 nMOS transistors (MOS transistors in the second MOS transistor group)

Claims (14)

対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作しているか否かを検出する装置であって、
前記対象回路に入力されたならば前記第1のMOSトランジスタのドレイン電圧を最小にするようなレプリカ信号を生成するレプリカ信号生成回路と、
前記対象回路のレプリカであって、前記第1のMOSトランジスタに相当する第2のMOSトランジスタを有し、前記レプリカ信号が入力されるレプリカ回路と、
前記第1のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第1の電圧バッファと、
前記第2のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第2の電圧バッファと、
特性及びゲート及びソースの印加電圧が前記第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに前記第1の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第1のMOSトランジスタ群と、
特性及びゲート及びソースの印加電圧が前記第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに前記第2の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第2のMOSトランジスタ群と、
前記第1のMOSトランジスタ群に流れる第1の電流及び前記第2のMOSトランジスタ群に流れる第2の電流の大小比較をする比較回路とを備えた
ことを特徴とするMOSトランジスタ特性検出装置。
A device for detecting whether or not the first MOS transistor in the target circuit operates in a saturation region,
A replica signal generation circuit that generates a replica signal that minimizes the drain voltage of the first MOS transistor if input to the target circuit;
A replica of the target circuit, having a second MOS transistor corresponding to the first MOS transistor, to which the replica signal is input;
A first voltage buffer to which a drain voltage of the first MOS transistor is input;
A second voltage buffer to which the drain voltage of the second MOS transistor is input;
A first MOS transistor group having at least one MOS transistor having characteristics and a gate and source applied voltage that are the same as those of the first MOS transistor and having a drain applied with the output voltage of the first voltage buffer;
A second MOS transistor group having at least one MOS transistor having characteristics and an applied voltage of a gate and a source that are the same as those of the first MOS transistor, and having an output voltage of the second voltage buffer applied to a drain;
A MOS transistor characteristic detecting device comprising: a comparison circuit for comparing the magnitude of a first current flowing through the first MOS transistor group and a second current flowing through the second MOS transistor group.
請求項1に記載のMOSトランジスタ特性検出装置において、
前記比較回路は、
前記第1の電流を第1の電圧に変換する第1のIV変換回路と、
前記第2の電流を第2の電圧に変換する第2のIV変換回路と、
前記第1及び第2の電圧の大小比較をする比較器とを有する
ことを特徴とするMOSトランジスタ特性検出装置。
In the MOS transistor characteristic detection device according to claim 1,
The comparison circuit is
A first IV conversion circuit for converting the first current into a first voltage;
A second IV conversion circuit for converting the second current into a second voltage;
And a comparator for comparing the magnitudes of the first and second voltages.
請求項2に記載のMOSトランジスタ特性検出装置において、
前記第1及び第2のIV変換回路は、いずれも、ダイオード接続されたMOSトランジスタである
ことを特徴とするMOSトランジスタ特性検出装置。
In the MOS transistor characteristic detection device according to claim 2,
Both the first and second IV conversion circuits are diode-connected MOS transistors.
請求項2に記載のMOSトランジスタ特性検出装置において、
前記第1及び第2のIV変換回路は、いずれも、抵抗素子である
ことを特徴とするMOSトランジスタ特性検出装置。
In the MOS transistor characteristic detection device according to claim 2,
Both of the first and second IV conversion circuits are resistance elements, and the MOS transistor characteristic detection device.
請求項1に記載のMOSトランジスタ特性検出装置において、
前記第1の電圧バッファは、
前記第1のMOSトランジスタのドレイン電圧及び前記第1のMOSトランジスタ群におけるMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される演算増幅器と、
前記第1のMOSトランジスタ群に接続され、ゲートに前記演算増幅器の出力電圧が印加されるMOSトランジスタとを有するものであり、
前記第2の電圧バッファは、
前記第2のMOSトランジスタのドレイン電圧及び前記第2のMOSトランジスタ群におけるMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される演算増幅器と、
前記第2のMOSトランジスタ群に接続され、ゲートに前記演算増幅器の出力電圧が印加されるMOSトランジスタとを有するものである
ことを特徴とするMOSトランジスタ特性検出装置。
In the MOS transistor characteristic detection device according to claim 1,
The first voltage buffer includes:
An operational amplifier to which the drain voltage of the first MOS transistor and the drain voltage of the MOS transistor in the first MOS transistor group are input;
A MOS transistor connected to the first MOS transistor group and having a gate to which an output voltage of the operational amplifier is applied;
The second voltage buffer is
An operational amplifier to which the drain voltage of the second MOS transistor and the drain voltage of the MOS transistor in the second MOS transistor group are input;
And a MOS transistor connected to the second MOS transistor group and having a gate to which the output voltage of the operational amplifier is applied.
CMOS回路における対象回路中の第1のMOSトランジスタが飽和領域で動作するように当該CMOS回路の動作状態を自動調整する装置であって、
前記対象回路に入力されたならば前記第1のMOSトランジスタのドレイン電圧を最小にするようなレプリカ信号を生成するレプリカ信号生成回路と、
前記対象回路のレプリカであって、前記第1のMOSトランジスタに相当する第2のMOSトランジスタを有し、前記レプリカ信号が入力されるレプリカ回路と、
前記第1のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第1の電圧バッファと、
前記第2のMOSトランジスタのドレイン電圧が入力される第2の電圧バッファと、
特性及びゲート及びソースの印加電圧が前記第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに前記第1の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第1のMOSトランジスタ群と、
特性及びゲート及びソースの印加電圧が前記第1のMOSトランジスタと同じであり、ドレインに前記第2の電圧バッファの出力電圧が印加されるMOSトランジスタを少なくとも一つ有する第2のMOSトランジスタ群と、
前記第1のMOSトランジスタ群に流れる第1の電流及び前記第2のMOSトランジスタ群に流れる第2の電流の大小比較をする比較回路と、
前記比較回路の比較結果に基づいて、前記対象回路及び前記レプリカ回路の動作状態を調整する調整回路とを備えた
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
An apparatus for automatically adjusting the operation state of the CMOS circuit so that the first MOS transistor in the target circuit in the CMOS circuit operates in a saturation region,
A replica signal generation circuit that generates a replica signal that minimizes the drain voltage of the first MOS transistor if input to the target circuit;
A replica of the target circuit, having a second MOS transistor corresponding to the first MOS transistor, to which the replica signal is input;
A first voltage buffer to which a drain voltage of the first MOS transistor is input;
A second voltage buffer to which the drain voltage of the second MOS transistor is input;
A first MOS transistor group having at least one MOS transistor having characteristics and a gate and source applied voltage that are the same as those of the first MOS transistor and having a drain applied with the output voltage of the first voltage buffer;
A second MOS transistor group having at least one MOS transistor having characteristics and an applied voltage of a gate and a source that are the same as those of the first MOS transistor, and having an output voltage of the second voltage buffer applied to a drain;
A comparison circuit for comparing the magnitude of the first current flowing through the first MOS transistor group and the second current flowing through the second MOS transistor group;
An automatic adjustment circuit for CMOS circuit characteristics, comprising: an adjustment circuit for adjusting an operation state of the target circuit and the replica circuit based on a comparison result of the comparison circuit.
請求項6に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記比較回路は、前記比較結果として、前記第1及び第2の電流の電流差の有無を示すデジタル信号を出力するものであり、
前記調整回路は、前記デジタル信号によって前記電流差があることが示されたとき、前記第2の電流が前記第1の電流に近づくように、前記対象回路及び前記レプリカ回路の動作状態を調整するものである
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 6,
The comparison circuit outputs a digital signal indicating the presence or absence of a current difference between the first and second currents as the comparison result,
The adjustment circuit adjusts the operation state of the target circuit and the replica circuit so that the second current approaches the first current when the digital signal indicates that there is the current difference. CMOS circuit characteristic automatic adjustment device characterized by being a thing.
請求項7に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記調整回路は、一回の調整で、前記対象回路及び前記レプリカ回路の動作状態を調整可能範囲の限界に設定するものである
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 7,
The CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 1, wherein the adjustment circuit sets the operation state of the target circuit and the replica circuit to a limit of an adjustable range by one adjustment.
請求項7に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記調整回路は、前記デジタル信号によって前記電流差がないことが示されたとき、前記第2のMOSトランジスタの動作点をピンチオフ点に近づけるように、前記対象回路及び前記レプリカ回路の動作状態を調整するものである
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 7,
The adjustment circuit adjusts the operation state of the target circuit and the replica circuit so that the operation point of the second MOS transistor approaches the pinch-off point when the digital signal indicates that there is no current difference. A device for automatically adjusting CMOS circuit characteristics, characterized in that:
請求項9に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記第2の電流を前記第1の電流に近づけるときの調整幅は、前記第2のMOSトランジスタの動作点をピンチオフ点に近づけるときの調整幅よりも大きい
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 9,
A CMOS circuit characteristic automatic adjustment characterized in that an adjustment width when the second current is brought close to the first current is larger than an adjustment width when the operating point of the second MOS transistor is brought close to the pinch-off point. apparatus.
請求項6に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記比較回路は、前記比較結果として、前記第1及び第2の電流の電流差に応じた大きさのアナログ信号を出力するものであり、
前記調整回路は、前記アナログ信号に従って、前記第2のMOSトランジスタの動作点がピンチオフ点に近づくように、前記対象回路及び前記レプリカ回路の動作状態を調整するものである
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 6,
The comparison circuit outputs an analog signal having a magnitude corresponding to a current difference between the first and second currents as the comparison result;
The adjustment circuit adjusts the operation state of the target circuit and the replica circuit so that the operation point of the second MOS transistor approaches a pinch-off point in accordance with the analog signal. Automatic characteristic adjustment device.
請求項6に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記調整回路は、前記対象回路及び前記レプリカ回路に印加される電源電圧を調整するものである
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 6,
The CMOS circuit characteristic automatic adjustment device, wherein the adjustment circuit adjusts a power supply voltage applied to the target circuit and the replica circuit.
請求項6に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記調整回路は、前記対象回路及び前記レプリカ回路に印加されるバイアスを調整するものである
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 6,
The CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 1, wherein the adjustment circuit adjusts a bias applied to the target circuit and the replica circuit.
請求項6に記載のCMOS回路特性自動調整装置において、
前記調整回路は、前記第1及び第2のMOSトランジスタ並びに前記第1及び第2のMOSトランジスタ群における各MOSトランジスタに印加される基板電圧を調整するものである
ことを特徴とするCMOS回路特性自動調整装置。
In the CMOS circuit characteristic automatic adjustment device according to claim 6,
The adjustment circuit adjusts a substrate voltage applied to each of the first and second MOS transistors and each MOS transistor in the first and second MOS transistor groups. Adjustment device.
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